滑坡是我國西部地區(qū)最主要的地質災害，其損傷演化過程中的多物理場耦合機理復雜、觸發(fā)失穩(wěn)規(guī)律與特征未明，制約了地質災害鏈生演化機制研究以及邊坡穩(wěn)定性評價、工程巖體結構健康診斷與監(jiān)測預警等應用的深入開展。

針對上述問題，中國地震局地球物理研究所謝凡研究員團隊于2019年開始在我國川西地區(qū)大渡河流域某典型巖石邊坡開展監(jiān)測研究。該研究采取“向內看”策略，利用2臺高靈敏度地震動設備記錄到的環(huán)境震動數(shù)據(jù)，從非相干波場干涉分析入手，以巖體淺層散射波場時空間演化信息為抓手，充分挖掘波速變化對介質彈性模量弱化而導致的損傷高度敏感的特性，將波速變化的時間分辨率提升到20分鐘的同時，將觀測誤差控制在 10-5（中位數(shù)），實現(xiàn)對表征滑坡內部損傷演化的波速變化這一關鍵信息的高時間分辨率、高精度長期監(jiān)測（圖1），并獲得如下成果：

（1）      該典型滑坡淺層波速變化出現(xiàn)日變化的主要驅動機制是太陽（熱）輻射在滑坡表面巖體產(chǎn)生膨脹所導致的圍壓變化，這也是此滑坡結構強度季節(jié)性變化的主要驅動力之一（圖2-a）。

（2）      短時/持續(xù)性的強降雨在通過巖石縫隙的擴散過程中會增大滑坡孔隙壓，導致滑坡結構強度在降雨發(fā)生后數(shù)天內出下降，從而產(chǎn)生顯著的波速變化下降，這是此滑坡在雨季出現(xiàn)強度下降的主要驅動力（圖2-b）。

（3）      中小強度的地震即可引發(fā)此滑坡內部既有（微）裂隙的瞬時打開（可逆型損傷），導致波速階梯式下降；而震后其內部裂隙的緩慢閉合（損傷恢復）導致波速在數(shù)天到十數(shù)天的跨度內呈對數(shù)型增長并幾近恢復至震前水平。但當震后的波速變化恢復過程疊加降雨過程時，導致該滑坡內部的波速變化不能完全恢復到地震發(fā)生之前的狀態(tài)，會使得此滑坡不穩(wěn)定性繼續(xù)保持（圖2-c）。

（4）      上述多種因素的疊加導致該滑坡出現(xiàn)局部、小規(guī)模失穩(wěn)事件（rock avalanche），得益于優(yōu)化后的時間分辨率，在滑坡失穩(wěn)發(fā)生前40分鐘觀測到可信的前兆式波速下降（圖2-d）。

以上研究表明，利用非相干散射波場的波速變化監(jiān)測具備高應力敏感性以及高時空分辨率特點，相對傳統(tǒng)滑坡監(jiān)測技術更具優(yōu)勢，可為基于環(huán)境地震學的新一代地質災害及早期預警系統(tǒng)的發(fā)展與體系化建設形成重要支撐。該成果于2022年發(fā)表于學術期刊《Engineering Geology》（https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2022.106922），受自然科學基金（41874061, 4211001018）以及中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金（DQJB22Z02）項目共同資助。

圖1 在該滑坡體上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括(a) 高時間分辨率、高精度的波速變化；(b) 降雨及其累積降雨量 （c）該滑坡體周邊200公里范圍內的地震在坡體上產(chǎn)生的峰值速度(PGV) (d)大氣溫度

圖2 (a) 相比大氣壓，日均波速變化與太陽輻射導致的氣溫變化呈現(xiàn)更好的相關性（b）短時大降雨導致的坡體內部孔隙壓力增大導致波速變化顯著下降，波速變化下降（紅框），是此滑坡在雨季出現(xiàn)強度下降的主要驅動力；(c) 中小強度的地震（黑圓）即可引發(fā)此滑坡（黑五星）內部既有（微）裂隙的瞬時打開（可逆型損傷），導致波速階梯式下降（藍色和橘色曲線），當震后的波速變化恢復過程疊加降雨過程時，會使得此滑坡不穩(wěn)定性繼續(xù)保持，導致該滑坡內部的波速變化不能完全恢復到地震發(fā)生之前的狀態(tài)（橘色曲線）（d）在高時間分辨率(20-min)監(jiān)測模式下, 在小規(guī)?；掳l(fā)生前40分鐘觀測到可預警的前兆波速下降。圖中紅色圓點是前兆波速下降，黃色虛線是小規(guī)?；掳l(fā)生時間

【作者簡介】

謝凡, 研究員。主要從事跨尺度介質變化及其成像的高精度觀測及研究工作.研究方向為非均勻介質中的散射波理論、數(shù)值模擬以及在地震孕育和地質災害監(jiān)測應用。相關成果發(fā)表于地球物理學，結構健康監(jiān)測，地質災害等領域重要期刊。